高能粒子物理学是当代物理学的前沿――卢鹤绂著《高能粒子物理学漫谈》选载

专藕

离鹾粒子物理学是当代物理学明前沿

——卢鹤绂著《高能粒子物理学漫谈》选载

［编者按］著名的核物理学家和理论物理学挛卢鹤捩院壬

０９１４６一１９９７２），一生成就卓著、品格高尚，为科学教育事业做出诸

多贡献。这里选栽其论著《高能粒子物理学漫谈》的一个篇章，资以纪

念他逝世垫十周年。

２０世纪以来，为了总结概括物质构成及其转变来说，最重要

自然界呈现的大量现象，以及人的决定性数量是物质粒子之间的

类改造自然的大量经验，人们的相对运动的能量。

理论认识已深入到原子内部各层要想通过碰撞把原子中外层

次的微观组成结构及其运动形态电子踢出来（即所谓使原子电离）

和转变规律。这种认识的客观依只需要几个或十几个电子伏特

据是人们发明创造的科学仪器上（ｅｖ）的能量。要把重原子中内层

所观测到的，在人为条件下迫使电子踢出来，那就需要送人几千

自然界呈现的新奇现象的实在数电子伏特以【：的能量了。要想把

据。进一步的认识电必然要靠更灭然稳定的原子核裂开，那就需

新的Ｔ具和技术的发展，特别是要送人几兆（百万）电子伏特的能

要靠在极端严厉的条件下进行的量。要想从原子核中踢出介子就

科学实验，例如高电场、高磁场、需要送人几亿电子伏特的能量。

高压强、高温度、高密度等等。过要想通过碰撞产生前所未见的新

去的经验表明．对逐步深入研究粒子，在目前阶段就需要十亿（一

京）电子伏特以上

的能量了。

事实｝，自从

１９世纪中叶以来，

探索物质内部的规

律性主要依靠当时

掌握的可供利用的

粒子束的最高能

量。弧、辉光、火花

等放电光源使用的

图为卢鹤绂院士是几百电子伏到几

　千电子伏的电子束，其所产生的由外层电子跃迁引起的原子光谱导致人们对原子结构的定量认识。早期阴极射线管中电子柬的能量是几千电子伏，后来陆续增加到几十万电子伏，形成软、硬ｘ光管，借助其所产生的由内层电子所引起的原子ｘ射线频谱的研究，基本上完成了对原子结构的理论认识。原子核的发现靠的是来自天然放射性物质的几兆电子伏的ｄ粒子束，也就是靠这个ｎ粒子束最早人工促成了原子核的转变．使其放出质子或中子（通称桩子）．并从而首次产生人Ｔ放射性元素。三十年代为了适应原子核研究的需要，人们在大学校园内研制人工加速带电粒子的加速器，其中包括高压倍加器、静电加速器、直线共振加速器、回旋共振加速器，产生兆电于伏上下和十兆电子伏缴的离子束。今天．这类加速器只自Ｂ称为低能加速器了。叫十年代人们发明同步稳相原理，使有可能把束能量再提高，创造出数亿电子伏的中能加速器，能够大量产生介子，号称介子工厂。五十年代义发明强聚焦原理，开始建成ｆ亿电子伏特以上的高能加速器，从此大大推进了基本世界科学２晰．２粒子（今日人们把对强作用来说

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是稳定的粒子称为基本粒子）及其共振激发态的研究，并终于在七十年代导致人工造成具有反常稳定性的新粒子（历ｐ，，等等）的发现。

当代高能物理学泛指对粒子束能量（束中粒子运动能量）超

过一京电子伏（１ｃｅｖ＝１０９“）的粒子所引起的自然现象的研究。

早在三十年代初，人们就已先后发现从远方太空射来的带电粒子能穿透五百米深的水．这就相当于一百京电子伏以上的能量。这

种所谓宇宙射线的天然高能粒子

源盖括的能量从几十京电子伏到极其高的能量。但能量越高其天然存在强度越迅速地减弱，且人们也无法控制宇宙射线，能观察

到的新奇现象因丽受到跟制。迟

到五十年代才人工造成能量超过

一京电子伏的带电粒子束．使人

类大踏步地迈入高能物理学领域，在人为控制条件下能仔细搜

索观察高能粒子所造成的前所未

见的奇特现象。当前能达到的能量正在走向一千京电子伏。对能量比此更高的粒子目前还只能靠高空观测宇宙射线来进行考察研究。

综上所述可见。今日的高能物理学是过去曾被看作高能领域的自然延伸，是人类认识物质世

界进一步深化的必然进展，是从

三｝、四十年代旺盛的原子核物

理学成长出来的。一句话．高能物

理学是认识物质世界层次不断深入化的一门学科。

那末，研究高能粒子现象的

根本目的何在？同现代物理学的其他部门一样，根本目的在于通过科学实验发现微观世界的新现象，据此扩展或改造已有理论认

世界科学２０昕．２

识或试图建立新理论，以概括新旧现象，从而进一步理解自然．并正如绪论中所强调的那样，据此作出科学预言，以指导进一步实践，为大规模改造自然提供手段，为人类谋福利。

量子力学和电磁作用力能足

够准确地把原子物理学的自然定律表成完整的数学形式。这就进

一步增强了物理学家对自然规律有其简单性和概括性的信念。在这种信念下，人们进入了物质世

界的原子核层次。但是关于核子

（质子和中子）的本质及其问的所谓强作用力（特别是其小距离部分）还远无足够的理解，因而这一信念还远未完全落实。有关深奥问题要求人们进一步深入到核子

以及其他有强作用力的粒子（六十年代开始称强子）的内部，才能

指望发掘支配核层次及强子层次

的准确规律，这正是当前高能物

理学的主要任务所在。

正确规律有所掌握，就能作

出较准确的科学预言，为人类克服自然、改造自然而服务。几千年来人类烧柴、烧煤、烧气、烧油，到本世纪才认识到这都不过是利用来自碳原子同氧分子化合所放出的约四个电子伏那么一小点能量。有了这个认识．人们才有基础去寻求、发现和利用微观粒子转化过程所能放出的更大能量：在今天尽人皆知，中子所致重原子核裂变过程中放出的约两百兆（两亿）电子伏的能量已被人们用来发电、推动舰艇、制造原子弹、

大量生产人Ｔ放射性元素等，从

而可观地改变了社会实践的面貌。

目前，在高能物理学范畴内，人们正在认识有强相互作用的粒

子（强子）的内部结构及其转变规律。配台正在进行的关于高能粒子的科学实验的实践结果，大有可能发现更有效地释放巨大能量

的办法，其影响之大不无可能胜

过四十年代中子物理学导致的原子堆的发明。为了谋求这类长远利益，高能物理学必须一方面沿着提高能量的方向继续前进，另

一方面在已达成的能量领域里做

精细观测，探求细节，深人理解，向广度深度进军。

可以预期，无论在物质呈现的新现象方面和已知现象的深入理解方面．高能粒子物理学在未来岁月里都将作出推动科学前进的贡献。这些结果肯定会给人类全面带来难于准确预料的好处。

在最基本的方面有可能会揭

示出为什么有像电子这样的最小

单位电荷存在？为什么天然存在

的带正电的质子就比带负电的电

子重一千八百倍？不这样就不会有现在的分子存在．就不会有人

类所知的生命存在。能够回答这类问题的后果将是难于想象的。

在已知的基本粒于内部是否真的存在着最后的基元粒子？巨大质量的相对稳定粒子是否能存在？是否有尚未发现的粒子反应能够释放前所未见的巨大能量？这些都是最近发现的新现象及其

可能解释引起人们注意研究的问

题。目前还不断有出人意料的新现象被发现。这可能会对上述问题的解答提供线索。

发展高能粒子物理学所需发

明创造的仪器设备及探测技术将

继续为其他科学研究领域以及＿＿Ｊ＿＝程技术、医疗诊断等方面广泛提供新技术。高能粒子现象的发现也将为理解天体（下转第１５页）

能统一量子力学和引力

学

——杰拉德?胡夫特（Ｇｅ阻ｆｄ

Ｈ。丘，荷兰乌德勒支大学理论物理学教授，１９９９年诺贝尔物理学奖得

主）

２０５６

念一样充满争议。直到１９２５年埃德温?哈勃（ＥｄｗｍＨｕｂｈｋ）才解决了那场“孤岛宇宙”的争论。

——马克斯?塔戈马科（Ｍａｘ

Ｔ。ｇｍａｒｋ，麻省理工学院转理学教授）

年，你将能买到一件Ｔ恤．上面印着描述整个宇宙统一物理规律的公式。

说，并且能够准确预测宇宙进化中每一个

细节的理论。

这个理论或者模型必定是符合“决定论”的，它应该能够描述确定性而不是概率。我把“决定论”３个宇放在引号里是因为一切生活在这个宇宙中的智慧生物都不可能预测未来，因为生活在宇宙中的任何个体都不可能以比宇宙更快

发现暗物质

我猜想最重要的成就将是暗物质的发现。据月前估计．神秘的暗

物质占宇宙总质量的２５％。

地下探测器已经在寻找由暗物质粒子相撞造成的核反冲信号了。同时，薪的粒子加速器还可能直接制造出暗物质粒子。对于这屿粒子的严格鉴定将在很大程度￡：帮助我们认识宇宙。

我们目前所知的所有定律都将是那些终檄公式的推演。

我们将最终通过观测确定所谓的“大爆炸”并不是万物的开端，而只是宇宙的一部分停止了一种叫做“膨胀”的剧烈伸展运动。我们将认识到膨胀总是在宇宙某些遥远的角落无限地进行；而在另一些停止了膨胀的地方才可能有生命繁衍。那些印在Ｔ恤上的公式也将各不相同。

“平行宇宙”的存在将和１００年前提出的所谓“孤岛宇宙”的概

的速度进行计算。

给定了这样的模型，接下来需要确定的就是局部法则、边界条件以及初始状态了。剩下的就是纯数学的东西。我的大多数同行都有理由怀疑这样一个模型存在的合理性，这就是为什么它无疑将是一个突破。我个人觉得这个理论是有可能建立的，虽然目前还没有人知道怎样处理其中的数学问题。

——阿瑟?麦克唐德（Ａｎｕｒ

ＭｃＤｏｎａｌｄ，加拿大皇后大学天体物理学教授）（上接第６页ｌ

演化过程提供根据。凡此都将在最后两章一一举例作简量介绍。

总之，高能粒子物理学不但是个开垦性的、新兴的、重大的科学研究领域，也是个会影响全局的带头学科。完全有理由相信，在高能粒子物理学中将发现的新现象和将认识的新规律，对物理学的层层深人的理解以及最后在应用领域里，都将是重要的。可以

５０年后，科学家预测：超人工智能研究套取得重大突破，人类将掌握存储虚假记忆的技术，时宇宙的了解将迭到一个新的高度……

说，高能粒子物理学是当代物理学的前沿。

世界科学２００７．２